Science
27.08.2017

Optogenetik: Gehirne mit Licht fernsteuern

Das junge Forschungsfeld der Optogenetik erlaubt es, zelluläre Prozesse mit Licht zu steuern. In Alpbach erklärte der Pionier Gero Miesenböck, was derzeit möglich ist.

Die Optogenetik nutzt Methoden der Gentechnik, um Zellen so zu modifizieren, dass sie mit Lichtsignalen kontrolliert werden können. Der österreichische Forscher Gero Miesenböck, der in Oxford arbeitet, erklärte bei den Technologiegesprächen im Rahmen des Europäischen Forums Alpbach, was das für die Neurowissenschaften bedeutet.

"Historisch betrachtet hat die Neurowissenschaft Gehirne beobachtet, statt mit ihnen zu spielen, um Erkenntnisse zu gewinnen. Das lag vor allem daran, dass die Werkzeuge, anders als in der Genetik oder der Mikrobiologie, nicht vorhanden waren. Die Optogenetik kann das ändern", sagt Miesenböck. Zwar versteht die moderne Wissenschaft die elektrische Sprache des Gehirns noch kaum, aber durch optogenetische Verfahren können künstlich neue Schaltmuster in das Gehirn eingebracht werden, deren Auswirkungen es dann erlauben, neue Rückschlüsse zu ziehen.

Fliegen

In einem der ersten Experimente, die das versucht haben, wurden Fliegen genetisch so verändert, dass sie lichtempfindliche Schalter in einigen Neuronen ausgebildet haben. So konnten Forscher ein ganz bestimmtes Schaltmuster, nämlich jenes für Fluchtverhalten, von außen mit Licht aktivieren. Immer wenn das Licht anging, versuchten die manipulierten Fliegen wegzufliegen.

Das Ganze funktioniert im Gegensatz zur in der Vergangenheit einzig verfügbaren Methode, der direkten elektrischen Stimulation von Nervenzellen, ohne operative Eingriffe und mit weit höherer Präzision. Für die Aktivierung des Fluchtverhaltens mussten nur zwei Neuronen im Fliegengehirn mit Licht manipuliert werden. Das funktioniert von außen allerdings nur mit durchsichtigen Tieren auf einfache Weise.

Kopflos

Um sicherzustellen, dass die Fliegen durch den Lichtimpuls nicht einfach erschreckt wurden, wurde ihnen übrigens der Kopf entfernt. "Die wenigsten Leute wissen, dass Fliegen ohne Probleme ein bis zwei Tage ohne Kopf überleben können", erklärt Miesenböck. Der Fluchtmechanismus wurde dann in einem im Körper befindlichen Teil des Nervensystems implementiert und tatsächlich versuchten die Fliegen auch ohne Kopf wegzufliegen, wenn ein Lichtreiz gesetzt wurde.

In weiteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass auch der Sexualtrieb optogenetisch manipuliert werden kann. Daran sind etwa 2000 von 100.000 Fliegenneuronen beteiligt. Fliegen, deren entsprechende Nervenzellen für Lichtreize empfindlich gemacht werden, starten männliche Balzrituale, wenn ein Reiz gesetzt wird. Interessanterweise gilt das auch für weibliche Tiere. "Das zeigt, dass wir das Nervensystem in einen Zustand versetzen können, den es von Natur aus nie einnehmen würde", sagt Miesenböck.

(Noch) keine Gedankenkontrolle

Für den Oxford-Professor ist das aber nur ein erster Schritt. "Wir stehen noch am Anfang, aber die Optogenetik kann für die Neurowissenschaften drei Türen öffnen: Sie erlaubt die Identifikation der neuronalen Ursachen für Verhalten. Sie erlaubt es, die Beziehungen zwischen Neuronen offenzulegen. Und sie erlaubt es, mechanistische Thesen zur Funktionsweise des Gehirns tatsächlich im Experiment zu prüfen."

In neueren Studien wurde gezeigt, dass auch der Schlafrhythmus von Fliegen mit Licht gesteuert werden kann. "Schlaf ist ein Mysterium. Wir wissen, dass es zwei Komponenten gibt: Den Tag-/Nacht-Rhythmus, der von äußeren Faktoren bestimmt wird und einen zweiten, der darauf basiert, dass eine noch unbekannte Substanz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, was Lebewesen dann zum Schlafen zwingt", sagt Miesenböck.

Schlafzustand

Die Forscher haben mittlerweile herausgefunden, dass ein Dutzend Neuronen pro Hemisphäre in diesen zweiten Regelkreislauf eingebunden sind. Durch optogenetische Aktivierung dieses Netzwerks konnten sie Fliegen durch Lichtsignale in den Schlafzustand versetzen. Auch ein Zusammenhang mit dem Dopaminsystem konnte hier bereits nachgewiesen werden.

"Wir wissen, dass Kokain und andere auf das Dopaminsystem wirkende Substanzen hier Auswirkungen zeigen", sagt Miesenböck. Da ein ähnliches System auch im menschlichen Gehirn vorkommt, könnte die Forschung längerfristig etwa zu neuen Schlafmitteln führen, die einen völlig anderen Mechanismus nutzen, als bekannte Medikamente.

Schwierigkeiten

Direkte Anwendungen der Ergebnisse optogenetischer Forschung für den Menschen sieht Miesenböck kurzfristig aber nicht: "Es ist schwierig, Gene in einzelnen Neuronen gezielt zu verändern. Zudem verstehen wir das menschliche Nervensystem heute einfach noch nicht gut genug, um Interventionen setzen zu können, die dann auch den gewünschten Effekt haben.

Wir können dem ethischen Treibsand der Gedankenkontrolle durch Optogenetik also noch eine Weile entgehen." Längerfristig könnte die Optogenetik aber dabei helfen, verschiedene medizinische Probleme zu lösen. Das Einbringen lichtsensitiver Zellen in geschädigte Retinas könnte helfen, die Sehfähigkeit von Personen mit bestimmten Defekten wiederherzustellen. Parkinsonpatienten könnten von neuen Methoden der Neurostimulation profitieren, die keine elektrischen Impulse im Gehirn benötigen.

Die futurezone ist Online-Medienpartner der Alpbacher Technologiegespräche.